JP3818371B2 - Electric motor control device - Google Patents
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Abstract
Description
技術分野
本発明は、可動部と、該可動部を支持する非可動部を有する機械の可動部を伝達機構を介して駆動する電動機を制御する電動機制御方法および装置に関する。
背景技術
図1は電動機制御装置の第1の従来例のブロック図である。
この第1の従来例では、可動部7および非可動部8を有する機械の機械的な振動特性を把握することなく入力項目であるサーボ操作指令15を決定し、動作指令信号9をサーボ装置3へ送り、動作指令信号9を動作信号12として電動機5に送り、伝達機構6を介して可動部7を動作させ、サーボ機能を十分発揮できない場合には、試行錯誤的にサーボ操作指令15を変えていた。
第1の従来例では、最適なサーボ操作指令を決めるためには莫大な時間を要する。
図2は電動機制御装置の第2の従来例のブロック図である。
この従来例は、第1の従来例に分析装置31’と入力装置32と出力装置34を付加し、分析装置31’で作成した動作指令信号9をアナログ信号でサーボ装置3へ送り、動作指令信号9を動作信号12として電動機5に送り、伝達機構6を介して可動部7を動作させる。回転検出器4は回転検出器信号10をサーボ装置3を経由して分析装置31’に送る。分析装置31’は動作指令信号9と回転検出器信号10を高速フーリエ演算し、周波数特性を算出し、分析結果35を求め、分析結果35に応じてサーボ操作指令15を決めていた。
第2の従来例では、図3に示すように、分析装置31’にて作成した動作指令信号9には最大測定周波数fqを超えて最大frmaxまでの周波数成分をもつため、図3および図4に示すように、回転検出器信号10および分析結果35には、デジタル・サンプリング時に測定周波数範囲外の成分が混入する折り返し誤差が発生し、正確な周波数特性を求めることができない。
以下、この第2の従来例の問題点を詳細に説明する。
図3に示すように、分析装置31’で作成する動作指令信号9は、最大frmaxまでであり、最大測定周波数成分fqを超える高い成分周波数まで含まれている。図3に示すような周波数の動作指令信号9を使用すると、最大測定周波数fq以上かつ動作指令信号9の最大周波数成分frmax以下に機械共振f4,f5が存在する場合、動作指令信号9が測定周波数範囲外の機械共振f4,f5を励起してしまい、機械共振f4,f5の成分が回転検出器信号10に含まれる。機械共振f4,f5は最大測定周波数fq以上であるため、このままデジタル・サンプリングすると見かけ上f4’,f5’として観察される折り返し誤差が発生する。分析結果35には図中の実線の成分に破線の成分が加算されるため、正しい周波数特性の評価を行うことができない。最大測定周波数fq以上の信号をデジタル・サンプリングすると、高周波数である真の波形を誤って低周波数の観察波形と認識する、折り返し誤差が発生する。ここでサンプリング間隔Δtと最大測定周波数fqとの関係はサンプリング定理という公知の事実であり、式(1)で示される。この結果、図5のように実際には存在しない成分を含んだ周波数特性を出力してしまう。
また、従来の電動機制御装置の周波数特性を測定するには、FFTアナライザ等の高価な計測器を用意する必要がある。
ところが、電動機を動作させると、可動部が移動する。負荷機械の可動部はその位置により特性が変化し、共振周波数や反共振周波数がずれ、周波数特性の測定精度が低下する。さらに、平均化等を実行するために、測定するデータ量を増やすには、長時間のデータを収集するか、もしくは、複数回の動作と測定を実行する必要があるが、図7のように可動部の移動量が増大し、測定精度がさらに低下するという問題があった。つまり、測定により電動機位置が開始位置から大きくずれ、このため、可動部が移動し、負荷機械の特性が変化するため、図6のようにピークが割れるなど、周波数特性の測定精度が低下するという問題があった。
図8は電動機制御装置の第3の従来例のブロック図である。この電動機制御装置は第2の従来例の電動機制御装置において分析装置31’、入力装置32、出力装置34の代りにFFTアナライザ41と信号発生器42を備えたものである。
この従来例では、機械の特性を考慮した電動機制御を実現するためには、FFTアナライザ41と信号発生器42を備えている。信号発生器42が作成した動作指令信号43をサーボ装置3へ送り、制御信号12として電動機5に送り、伝達機構6を介して可動部7を動作させる。回転検出器4は回転検出信号10をサーボ装置3を経由してFFTアナライザ41に与える。FFTアナライザ41では信号発生器42から動作指令信号43を、サーボ装置3から回転検出信号44を受け取り、高速フーリエ演算し、周波数特性を算出する。この算出結果から、作業者が反共振周波数や共振周波数を読み取り、この結果に応じて作業者がサーボ操作指令15を決めていた。さらに、作業者がサーボ操作指令15をサーボ装置3に手動で入力する必要があり、莫大な手間と時間を要して電動機制御装置を調整していた。
従来、2慣性系に近似される柔軟な構造を持つ機械制御のチューニングには様々な方法がある。例えば、特開平10−275003は、2慣性系の制御に際して、状態観測器を通じて機械負荷速度および外乱トルクを推定し、該推定された機械負荷情報により振動発生を抑制させ得る2慣性共振系の振動抑制装置であり、良好な結果を得ている。
しかしながら、この従来技術は、状態観測器のパラメータ調整とPI(比例−積分)制御器のパラメータ調整は個別に行われており、調整に当たっては試行錯誤による多大な時間が必要な場合があるという問題があった。
発明の開示
本発明の目的は、外部に特別な計測装置をおき、専門知識を持った作業者や専門知識を持った分析者による調査分析を必要とせずに、制御対象に合った電動機制御を行うことが可能な電動機制御装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、正しい周波数特性の分析結果を算出し、容易、かつ安価に適切な電動機制御を行う電動機制御装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、機械系の周波数特性を精度良く測定できる、電動機制御装置の制御方法を提供することにある。
本発明のさらに他の発明の目的は,速度制御系に関して、その振動抑制を実現し、パラメータ調整についても従来技術より容易で、理論的に一つのパラメータで振動抑制器のパラメータとI−P制御器のパラメータの同時調整を実現できる電動機制御装置を提供することにある。
本発明のさらに他の発明の目的は、メカ特性が2慣性系である速度制御系と位置制御系に関して、I−P制御(積分−比例制御)とPI制御の両方に対応し、振動抑制器と速度制御器と位置制御器のパラメータの同時調整を実現できる電動機制御装置を提供することにある。
本発明のさらに他の発明の目的は、メカ特性が2慣性系に近似される、機械負荷速度を制御する速度制御系および機械負荷位置を制御する位置制御系に関して、I−P制御とPI制御の両方に対応した、振動抑制器と速度制御器および制御パラメータの同時調整を実現できる電動機制御装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、電動機制御装置の調整を安価、かつ容易に行うことができる、電動機制御装置の制御方法を提供することにある。
本発明の第1の態様では、サーボ装置から電動機に送られる動作信号と等価な動作信号と、電動機の回転速度信号、機械の可動部の位置信号、機械の加速度、速度、ひずみ等のセンサ信号のいずれかを周波数分析し、分析結果を考慮して新たな電動機制御を行う。
これにより、専門知識を持った作業者や分析者を必要とせずに制御対象に合った電動機制御を行うことができる。
本発明の第2の態様では、分析装置にて周波数分析時に折り返し誤差が発生しないように、測定周波数範囲外の不要な高周波数成分を含まない動作指令信号を作成し、動作指令信号と回転検出器信号を周波数分析する。
分析装置で作成された動作指令信号は最大測定周波数以下の成分のため、最大測定周波数以上の機械共振を励起せず、したがって回転検出器信号には最大測定周波以上成分が含まれず、折り返し誤差が発生しないので、反共振点と共振点を正しく観察でき、正しい分析結果を得る。このため、電動機制御装置の評価が可能になり、新たなサーボ操作指令を設定し、最適な電動機制御を行うことが可能になる。
本発明の第3の態様では、演算装置からサーボ装置に出力される動作指令信号を電動機の正転側と逆転側で対称に実行する。
これによって電動機の動作による可動部の移動量を相殺でき、可動部の位置による周波数特性測定時の誤差要因を取り除くことができ、前記周波数特性を精度良く測定することができる。
この場合、動作指令信号のうち低周波数成分の振幅を小さく、高周波数成分の振幅を大きくすることにより、電動機の動作による可動部の移動量を低減でき、周波数特性をさらに精度良く測定することができる。
本発明の第4の態様では、動作指令信号と回転検出器信号から演算装置にて周波数特性を演算し、周波数特性の形状から共振周波数と反共振周波数を自動的に算出し、この演算結果にもとづき電動機制御装置を自動的に調整する。
安価な演算装置を使用し、簡単な入力情報を与えるだけで、容易にすばやく適切な電動機制御の調整が自動的に行える。
本発明の第5の態様では、速度指令を入力し、電動機速度が速度指令に一致するようにI−P制御を構成し、トルク指令を決定する速度制御器と、トルク指令を入力し電動機を駆動する電流制御器と、電動機電流および電動機速度を検出する検出器とを備える電動機制御装置が、電動機速度と機械負荷速度からねじれ角速度を算出し、ねじれ角速度を用いて振動を抑制する振動抑制器と、速度制御器のパラメータと振動抑制器のパラメータを同時に調節する手段を備えている。
速度制御系に関して、速度ループゲインKv、積分時定数1/Ti、ねじれ角ゲインKs、ねじれ角速度ゲインKsdの1つのパラメータ値が理論的に得られるので、振動抑制器とI−P制御器のパラメータの同時調整が可能になり、2慣性系において安定を保ったまま目標応答を上げ下げ、機械系の振動を励振することなく、電動機を高応答に速度制御できる。
本発明の第6の態様では、速度指令を入力し、電動機速度が速度指令に一致するようにトルク指令を決定する速度制御器と、トルク指令を入力し電動機を駆動する電流制御器と、電動機電流、電動機速度および機械負荷速度をそれぞれ検出する検出器を備える電動機制御装置が、I−P制御とPI制御を連続的に切り替えるパラメータα(0≦α≦1)を備え、電動機速度と機械負荷速度からねじれ角速度を算出し、ねじれ角速度を用いて振動を抑制する振動制御器と、速度制御器のパラメータと振動抑制器のパラメータを同時に調節する手段を備えている。
速度制御系と位置制御系に関して、I−P制御とPI制御の両方に対応し、速度ループゲインKv、積分時定数1/Ti、ねじれ角ゲインKs、ねじれ角速度ゲインKsd、位置ループゲインKp、のパラメータ値が容易に得られるので、振動制御器と速度制御器と位置制御器のパラメータの同時調整が可能になり、目標応答を変えたい場合は目標応答周波数ωを変えることで安定性を保ったまま調節できる。また、パラメータαに連動して減衰係数ζを変えることにより、整定時間を短縮できる。
本発明の第7の態様では、速度指令を入力し、機械負荷速度が前記速度指令に一致するようにトルク指令を決定する速度制御器と、トルク指令を入力し、電動機を駆動する電流制御器と、電動機電流、電動機速度および機械負荷速度を検出する検出器を備える電動機制御装置が、I−P制御とPI制御を連続的に切り替えるパラメータα(0≦α≦1)と、電動機速度と機械負荷速度からねじれ角速度を算出し前記ねじれ角速度を用いて振動を抑制する振動抑制器と、前記速度制御器のパラメータと前記振動抑制器のパラメータを同時に調節する手段とを備えている。
機械負荷速度を制御する速度制御系と機械負荷位置を制御する位置制御系に関して、I−P制御とPI制御の両方に対応した、速度ループゲインKv、積分時定数1/Ti、ねじれ角ゲインKs、ねじれ角速度ゲインKsd、位置ループゲインKpのパラメータ値が容易に得られるので、振動抑制器、速度制御器、位置制御器のパラメータを同時に調整可能になり、目標応答を変えたい場合は目標応答周波数ωを変えることで安定性を保ったまま調節できる。また、パラメータαに連動させて減衰係数ζを変えることにより、整定時間を短縮できる。
発明を実施するための最良の形態
図9は本発明の第1の実施形態の電動機制御装置を示すブロック図である。
電動機5は、可動部7および可動部7を支持する非可動部8を有する機械の可動部7を伝達機構6を介して駆動する。回転検出器4は電動機5の回転速度を検出する。サーボ装置3はトルク指令9に基づき入力トルク信号12により電動機5を制御する。記憶装置2は入力トルク信号9と等価な入力トルク信号11と回転検出器4からの回転速度信号10を記憶する。分析装置1は、分析指令13により入力トルク信号11と回転速度信号10を周波数分析し、分析結果14をサーボ操作指令15としてサーボ装置3へ出力する。ここで、サーボ操作指令15とは、サーボ装置3のパラメータを変える、分析結果14をサーボ装置3のパラメータとして与える指令を言う。
次に、本実施形態の動作を説明する。
ランダム波信号、低速掃引正弦波信号、高速掃引正弦波信号、ステップ波信号あるいはインパクトトルク信号などのトルク信号9が動作指令信号としてサーボ装置3に与えられると、サーボ装置3は電動機5にトルク信号9に対応する動作信号(入力トルク信号)12を送る。電動機5は動作し、伝達機構6を介して可動部7が動作し振動を発生する。回転検出器4は電動機5の回転速度を検出し、記憶装置2に回転速度信号10を送る。サーボ装置3は入力トルク信号12と等価な入力トルク信号11を記憶装置2に送る。記憶装置2は、入力トルク信号11と回転速度信号10を記憶する。分析装置1は記憶装置2に記憶されている入力トルク信号11と回転速度信号10をFFT(Fast Fourie変換)による周波数分析する。
周波数分析では入力トルク信号11と回転速度信号10を任意に設定した時間で区切り、周波数分析したあと平均化演算を行う。任意に設定した時間で区切った入力トルク信号11を周波数分析した周波数分析結果Sxと任意に設定した時間で区切った回転速度信号10を周波数分析した周波数分析結果Syを求める。入力トルク信号11の周波数分析結果Sxと周波数分析結果Sxの複素共役Sx*を掛けたうえ、平均化する。回転速度信号10の周波数分析結果Syと入力トルク信号11の周波数分析結果Sxの複素共役Sx*を掛けたうえ、平均化する。それぞれの結果を式(2)に従って、演算を行い周波数応答関数Hyxを求める。
周波数分析には、FFTのほかブラックマン−ターキー法、自己回帰法、移動平均法、自己回帰移動平均法やウェーブレット変換を用いてもよい。回転速度信号10のかわりに、回転速度信号10を変換し、可動部7の位置に換算した信号を用いてもよい。また、前記式(2)のかわりに、式(3)など、式(2)と数学的な等価な式を用いてもよい。
周波数応答関数Hyxの振幅が谷、および山で示される周波数は、機械の固有振動数であり、分析装置1は、分析指令13を受け、機械の振動特性である固有振動数を容易に検出でき、分析結果14を出力する。分析結果14を考慮してサーボ装置3にサーボ操作指令15を与えることにより、新たな電動機制御を行う。上記の例では、振動を発生させるために、電動機5を用いたが、外部の加振装置を取り付けて振動を発生させ、入力トルク信号12のかわりに外部加振信号を用いてもよい。
図10は本発明の第2の実施形態の電動機制御装置を示すブロック図である。
本実施形態では、第1の実施形態の可動部7に位置検出器16が設けられ、可動部位置信号17が記憶装置2に記憶される。
次に、本実施形態の動作について説明する。
ランダム波信号、低速掃引正弦波信号、高速掃引正弦波信号、あるいはインパクトトルク信号などの指令信号9をサーボ装置3に送る。サーボ装置3は電動機5に動作指令信号(トルク信号)9に対応する動作信号(入力トルク信号)12を送る。電動機5は動作し伝達機構6を介して可動部7が動作し、振動を発生させる。位置検出器16は可動部7の位置を検出し、記憶装置2に可動部位置信号17を送る。サーボ装置3は入力トルク信号12と等価な入力トルク信号11を記憶装置2に送る。記憶装置2は、入力トルク信号11と可動部位置信号17を記憶する。分析装置1は入力トルク信号11と可動部位置信号17をFFT(Fast Fourie変換)により周波数分析する。
周波数分析では入力トルク信号11と可動部位置信号17を任意に設定した時間で区切り、周波数分析したあと平均化演算を行う。任意に設定した時間で区切った入力トルク信号11を周波数分析した周波数分析結果Sxと任意に設定した時間で区切った可動部位置信号17を周波数分析した周波数分析結果Syを求める。入力トルク信号11の周波数分析結果Sxと周波数分析結果Sxの複素共役Sx*を掛けたうえ、平均化する。可動部位置信号17の周波数分析結果Syと入力トルク信号11の周波数分析結果Sxの複素共役Sx*を掛けたうえ、平均化する。それぞれの結果を前記式(1)に従って、演算を行い周波数応答関数Hyxを求める。
周波数分析には、FFTのほかブラックマン−ターキー法、自己回帰法、移動平均法、自己回帰移動平均法やウェーブレット変換を用いてもよい。また、前記式(2)のかわりに、式(3)など、式(2)と数学的に等価な式を用いてもよい。周波数応答関数Hyxの振幅が谷、および山で示される周波数は、機械の固有振動数であり、分析装置1は、分析指令13を受け、機械の振動特性である固有振動数を容易に検出でき、分析結果14を出力する。分析結果14を考慮してサーボ装置3にサーボ操作指令15を与えることにより、新たな電動機制御を行う。上記の例では、振動を発生させるために、電動機5を用いたが、外部の加振装置を取り付けて振動を発生させ、入力トルク信号12のかわりに外部加振信号を用いてもよい。
図11は本発明の第3の実施形態の電動機制御装置のブロック図である。
本実施形態では、第1の実施形態の可動部7に計測センサ18が設けられ、センサ信号19が記憶装置2に記憶される。
次に、本実施形態の動作を説明する。
ランダム波信号、低速掃引正弦波信号、高速掃引正弦波信号、あるいはインパクトトルク信号などの動作指令信号9をサーボ装置3に送る。サーボ装置3は電動機5に動作指令信号(トルク信号)9に対応する動作信号(入力トルク信号)12を送る。電動機5が動作し伝達機構6を介して可動部7が動作する。計測センサ18は可動部7の振動を検出し、記憶装置2に可動部7のセンサ信号19を送る。計測センサ18を、非可動部8、伝達機構6に設置してもよい。計測センサ18には加速度計、速度計、変位計、ひずみ計等を用いる。センサ信号19はそれに応じて加速度、速度、変位、ひずみ等となる。
サーボ装置3は入力トルク信号12と等価な入力トルク信号11を記憶装置2に送る。記憶装置2は、入力トルク信号11とセンサ信号19を記憶する。分析装置1は入力トルク信号11とセンサ信号19をFFT(Fast Fourie変換)により周波数分析する。
周波数分析では入力トルク信号11とセンサ信号19を任意に設定した時間で区切り、周波数分析したあと平均化演算を行う。任意に設定した時間で区切った入力トルク信号11を周波数分析した周波数分析結果Sxと任意に設定した時間で区切ったセンサ信号19を周波数分析して周波数分析結果Syを求める。入力トルク信号11の周波数分析結果Sxと周波数分析結果Sxの複素共役Sx*を掛けたうえ、平均化する。センサ信号19の周波数分析結果Syと入力トルク信号11の周波数分析結果Sxの複素共役Sx*を掛けたうえ、平均化する。それぞれの結果を式(2)に従って、演算を行い周波数応答関数Hyxを求める。
周波数分析には、FFTのほかブラックマン−ターキー法、自己回帰法、移動平均法、自己回帰移動平均法やウェーブレット変換を用いてもよい。
式(2)のかわりに、式(3)など、式(2)と数学的に等価な式を用いてもよい。周波数応答関数Hyxの振幅が山で示される周波数は、機械の固有振動数であり、分析装置1は、分析指令13を受け、機械の振動特性である固有振動数を容易に検出でき、分析結果14を出力する。計測センサ18を複数個有する場合には、周波数応答関数Hyxが複数個存在し、複数の周波数応答関数Hyxから振動モードを演算する。分析装置1は分析結果14として振動モードを出力することもできる。
分析結果14を考慮してサーボ装置3にサーボ操作指令15を与えることにより、新たな電動機制御を行う。上記の例では、振動を発生させるために、電動機5を用いたが、外部の加振装置を取り付けて振動を発生させ、入力トルク信号11のかわりに外部加振信号を用いてもよい。
図12は本発明の第4の実施形態の電動機制御装置のブロック図である。
本実施形態は第1の実施形態に入力装置20と表示装置21と記憶装置22を備えたものである。
表示装置21は分析装置1の分析結果14を表示する機能をもつ。表示装置21はさらに動作指令信号(トルク信号)9、回転速度信号10、入力トルク信号11、入力トルク信号12、分析指令13、サーボ操作指令15、記憶内容23、入力内容24を表示してもよい。また、サーボ装置3の設定内容25を表示してもよい。記憶装置22は分析装置1の分析結果14を記憶する機能を持つ。記憶装置22はさらにトルク信号9、回転速度信号10、入力トルク信号11、入力トルク信号12、分析指令13、サーボ操作指令15、入力内容24を記憶してもよい。また、サーボ装置3の設定内容25を記憶してもよい。入力装置20は入力内容24を受け、分析指令13として分析装置1に与える入力機能を持つ。入力装置20はさらにトルク信号9、サーボ操作指令15を入力してもよい。また、記憶装置22への入力装置としてもよい。
その他の動作は第1の実施形態と同じである。なお、第2、第3の実施形態に入力装置20と表示装置21と記憶装置22を備えてもよい。
図13は本発明の第5の実施形態の電動機制御装置のブロック図である。
本実施形態は第4の実施形態において、分析装置1から出力された分析結果14を指令信号9としてサーボ装置3に与えるとともに、サーボ操作指令15としてサーボ装置3に与えるようにしたものである。
本例は、サーボ操作指令15を、分析結果14によって変えながら、電動機5を動作させ機械を加振する例と、周波数領域で一定レベルの加振力もしくは加振トルクを電動機5に与えて機械を加振する例であるが、計測条件を任意に設定して、分析装置1、サーボ装置3、および記憶装置22の入力と出力を設定してもよく、動作指令信号9、回転速度信号10、入力トルク信号11、制御信号12、分析指令13、分析結果14、記憶内容23のうちいずれかを、動作指令信号9、分析指令13、分析結果14、記憶内容23のうちいずれかに与えて使用してもよい。
なお、第2、第3の実施形態についても本実施形態と同様の構成とすることができる。
図14は本発明の第6の実施形態の電動機制御装置を示す図である。
本実施形態は第1の実施形態の分析装置1と計測装置2の代りに分析装置31、入力装置32、出力装置34を備えたものである。
次に、本実施形態の動作について説明する。
操作命令を入力装置32から分析装置31に与えると、分析装置31は最大測定周波数以下の成分のみの動作指令信号9を作成する。動作指令信号9はランダム波信号、低速掃引正弦波信号、高速掃引正弦波信号などがあるが、測定周波数範囲外の成分を含まず、周波数分析すると最大測定周波数以下の成分のみをもつ。低速掃引正弦波信号および高速掃引正弦波信号は最大測定周波数以下まで掃引して作成し、ランダム波信号は、例えば「スペクトル解析」日野幹雄著(1977)に掲載の公知の方法によって、最大測定周波数以下の成分のみのランダム波信号を作成し、動作指令信号9とする。動作指令信号9はサーボ装置3を経由して動作指令信号9と等価な動作信号12となり、電動機5に送られる。電動機5は動作し、伝達機構6を介して可動部7が動作し振動を発生する。回転検出器4は電動機5の回転と振動を検出し、回転速度信号10がサーボ装置3を経由して分析装置31に転送される。
分析装置31では動作指令信号9と回転検出器信号11を第1の実施形態と同様にしてFFT(Fast Fourie変換)により周波数分析する。分析装置31は、分析結果35を出力装置34に出力する。
電動機制御装置の周波数特性である分析結果35から、新たにサーボ装置3にサーボ操作指令15を与えることにより、最適な電動機制御を行う。
上記の例では、動作信号12を動作指令信号9と等価なものとして使用したが、動作信号12を動作指令信号9と回転検出器信号11の成分を含む信号として使用してもよい。
上記の例では周波数分析には、FFTを用いたが、ほかにデジタル・フーリエ変換、ブラックマン−ターキー法、自己回帰法、移動平均法、自己回帰移動平均法やウェーブレット変換を用いてもよい。
上記の例では周波数分析に、回転検出器信号11を用いたが回転検出器信号11のかわりに、回転検出器信号11を微分、積分もしくは係数を掛けるなど、回転検出器信号11を変換した信号を用いてもよい。また、回転検出器信号11のかわりに、可動部7の動作を示す信号測定装置から得た位置信号、速度信号や加速度信号を用いてもよい。
上記の例では動作指令信号9と回転検出器信号11を設定した時間で区切り、周波数分析し、区切った回数nで平均化したが、動作指令信号9と回転検出器信号11をそのまま周波数分析し、動作指令信号9による動作を複数回実行し、実行回数nにより平均化を行ってもよい。
上記の例では分析結果35を出力装置34で出力したが、出力装置34は分析装置31に付随する記憶装置と置き換えてもよく、あるいは、分析結果35を記憶装置や接続装置を介して別の出力装置から出力してもよい。
上記の例では、分析結果35を得るために、電動機5を用いたが、電動機制御装置の外部に加振装置を取り付けてもよい。
図15は本実施形態における動作指令信号9の周波数分析結果を示すグラフである。分析装置31で作成した動作指令信号9の周波数分析結果は、最大frmaxまでの最大測定周波数fq以下の成分しかもっていない。
図16は本実施形態における分析結果を示す図である。分析装置31で作成された動作指令信号9は最大測定周波数fq以下の成分のため、最大測定周波数fq以上の機械共振f4,f5を励起しないため、回転検出器信号11にはf4,f5成分が含まれず、折り返し誤差が発生しないので、反共振点f0と共振点f1,f2,f3を正しく観察でき、正しい分析結果を得る。このため、電動機制御装置の評価が可能になり、新たなサーボ操作指令を設定し、最適な電動機制御を行うことが可能になる。
図17は本発明の第7の実施形態の電動機制御装置を示す図である。
演算装置36は動作指令信号37を作成し、サーボ装置3を継由して動作指令信号37と等価な制御信号12を電動機5に送る。これにより電動機5が動作し、伝達機構6を介して可動部7が動作し、非可動部8を含めた負荷機械が振動を発生する。回転検出器4は電動機5の回転と振動を検出し、回転検出器信号10がサーボ装置3を継由して演算装置36に転送される。演算装置36は動作指令信号37と回転検出器信号38を周波数分析し、周波数特性39を求める。
本実施形態の電動機制御装置では、図20に示すように、正転を開始とする動作指令信号37と逆転を開始とする動作指令信号37の繰り返し動作により周波数特性を測定する。あるいは、図21に示すように、正転開始と逆転開始の信号を含む連続した動作指令信号37により周波数特性を測定する。
図22は本実施形態の周波数特性測定時の電動機位置を示した例である。上記の動作指令信号37により電動機を動作させ、周波数特性を測定するため、電動機位置がずれ、可動部7が移動するが、逆側に電動機位置が移動し、可動部7が元の位置に戻る。このため、動作回数が増えたり、長時間動作しても、図18に示すように、最終的な可動部7の位置が変わらず精度良く周波数特性を測定することが可能になる。
なお、本実施形態では、動作指令信号37を、正転から開始し逆転としたが、逆転から開始し正転としてもよい。また、動作指令信号37を図21(a)では最初に正転を低周波数から開始し高周波数まで掃引し、逆転を高周波数から低周波数まで掃引する信号としたが、図21(b)のように、動作指令信号37を最初に正転を低周波数から開始し高周波数まで正弦波を掃引し、逆転を低周波数から高周波数まで掃引する信号としてもよく、動作指令信号37は移動量が相殺される信号を用いれば、図20や図21に示した組み合わせ以外でもよい。
本実施形態の変形例では、動作指令信号37を、図23に示すように、低周波数成分を小さく、高周波数成分を大きな動作指令信号37とする。
図19は本変形例における電動機制御装置の周波数特性を示すゲイン曲線を示している。
本例では、図23に示す周波数成分が均一な振幅の掃引正弦波を微分し、さらに、振幅の平均値が元の掃引正弦波と同じになるようにスケーリングしたものを動作指令信号37としている。この動作指令信号37は、図24に示すように電動機位置が大きく減少し、可動部7の移動量が少ないため、精度良く周波数特性を測定することができる。
なお、図25(a)では、動作指令信号37の最低周波数Fminから最高周波数Fmaxまで周波数分析結果のゲインが一定となる。本変形例の動作指令信号37は、図25(b)のようにゲインが一定ではないが、緩やかに連続した曲線のため、測定した周波数特性は図19のようになる。形状が図18とは多少異なるが、反共振周波数と共振周波数は全く同じ結果が得られ、周波数特性を測定する目的を果たすことができる。
本変形例で示した掃引正弦波は、振幅の平均値が元の掃引正弦波と同じになるようにスケーリングしたが、任意の振幅を基準にスケーリングしてもよい。
また、本変形例の電動機制御装置では、可動部7の移動量を低減したが、少量の移動量があるため、図17の前述した電動機制御方法を組み合わせてもよい。
さらに、本実施形態では、動作指令信号37に掃引正弦波を用いたが、ランダム波など他の信号を用いてもよい。
図26は本発明の第8の実施形態の電動機制御装置を示す図である。
本実施形態の電動機制御装置に入力装置40と出力装置42を付加して構成されている。
次に、本実施形態の電動機制御装置の動作を図27のフローチャートにより説明する。
まず、ステップ51として演算装置36において動作指令信号37を作成し、サーボ装置3を経由して動作指令信号37と等価な制御信号12を電動機5に送り、電動機5を動作させ、伝達機構6を介して可動部7が動作し振動を発生させる。回転検出器4は電動機5の回転と振動を検出し、回転検出器信号9がサーボ装置3を経由して演算装置36に転送され、演算装置36では動作指令信号37と回転検出器信号38を周波数分析し、周波数応答関数を求める。
次のステップ52として、周波数応答関数の振幅の形状が上向きのピークやや下向きのピークで示されるため、複素スペクトル内挿法や平滑化微分法など、例えば「科学計測のための波形データ処理」南茂夫著CQ出版(1986)に掲載の公知のピーク検出方法などによって演算装置36が、共振周波数と反共振周波数を求め、所望の応答周波数を入力装置40に入力情報41として入力し、演算装置36がサーボ操作指令15を演算する。
次のステップ53として、演算装置36にて算出したサーボ操作指令15がサーボ装置3に自動的に与えられ、最適な電動機制御を行い、調整を完了する。
本実施形態では、動作指令信号37と回転検出器信号38を周波数分析して周波数応答関数を求めたが、回転検出器4のかわりに可動部7の位置検出器など、他のセンサを用いてもよい。
また、本実施形態では、演算装置36にて決定したサーボ操作指令15をすぐにサーボ装置3に与えたが、サーボ操作指令15をいったん演算装置36から出力装置42に出力しておき、のちにサーボ操作指令15を、入力装置40から入力情報41として演算装置36に入力し、サーボ操作指令15を与えてもよい。
さらに、本実施形態の構成からなり、伝達機構6と可動部7と非可動部8が同一性能をもつ別の機械に接続されたサーボ装置3に演算装置36にて決定したサーボ操作指令15を与えてもよい。
また、図27に示したステップの途中経過をいったん出力装置42に出力し、のちに入力装置40に再入力し、続きのステップを継続してもよい。
さらに、出力装置42を記憶装置に置き換え、記憶した結果をのちに、演算装置36に与え続きのステップを継続してもよい。
図29は本発明の第9の実施形態の電動機制御装置のブロック図である。
図29において、速度制御器51は速度指令Vrefと電動機54の出力である電動機速度Vfbと振動抑制器53の出力である振動抑制信号Tcを入力し、速度指令Vrefと電動機速度Vfbが一致するように積分−比例制御(I−P制御)を構成して、トルク指令τrを電流制御器52へ出力する。電流制御器52はトルク指令τrを入力し、電動機54を駆動する。機械負荷55は電動機54にトルク伝達用の連結軸を介して結合されている。振動抑制器53は電動機速度Vfbと機械負荷速度の偏差であるねじれ角速度を入力し、振動抑制信号Tcを出力する。
次に、本発明の電動機速度制御器51と振動抑制器53と電動機54と機械負荷55について図30を用いて詳細に述べる。速度制御器51内の減算器62は速度指令Vrefから電動機速度Vfbを減算して速度偏差を求め、積分器63は速度偏差を時定数Tiで積分する。減算器64は積分器63の出力から電動機速度Vfbを減算し、乗算器65は減算器64の出力に速度ループゲインKvを乗算する。
振動抑制器53内の積分器67はねじれ角速度xaを積分してねじれ角を求め、乗算器68はねじれ角にねじれ角ゲインKsを乗算する。加算器69は乗算器68の出力とねじれ角速度xaを加算し、乗算器70は加算器69の出力にねじれ角速度ゲインKsdを乗算して振動抑制信号Tcを求める。また、減算器66は乗算器65の出力から乗算器70の出力を減算する。乗算器71は減算器66の出力に電動機側の慣性モーメントJ1を乗算し、トルク指令τrを決定する。図中の17は2慣性系振動モデルでよく知られており、J1は電動機側の慣性モーメントで、J2は機械負荷の慣性モーメント、Kは機械負荷のねじれ剛性値、xaはねじれ角速度である。また、1/sは積分を表す。
次に、図30の2慣性系において、速度制御器51の時定数Ti、速度ループゲインKv、振動抑制器53のねじれ角速度ゲインKsd、ねじれ角ゲインKsのチューニング方法を説明する。
但し、反共振周波数と共振周波数、および、電動機側と機械負荷の慣性モーメントJ1、J2は既知とする。ここでI−P制御系の速度ループゲインKv、時定数Ti、振動抑制系のねじれ角ゲインKsおよびねじれ角速度ゲインKsdをそれぞれ、
とおく。
速度指令Vrefとねじれ角速度xaが与えられた時のI−P制御器+振動抑制器の出力を次式とする。
ただし、sはラプラス演算子、1/sは積分を表す。
図30の制御対象のブロック図より、式(6)、式(7)となる。
ただし、s2は2階微分を表す。
ここで、a、bをそれぞれ式(8)とおく。
そこで、a、bを使って式(6)と式(7)を書きかえると、式(9)と式(10)となる。
式(10)に式(5)を代入すると式(11)が得られる。
Vfb=xa+xb、なので、式(11)は式(12)となる。
式(10)を書き換えると、式(13)となる。
式(12)に式(13)を代入して展開すると、式(14)となる。
移項してまとめると、式(15)となる。
式(15)より、特性方程式を求めると、式(16)となる。
F(s)が4次式であるので、安定条件を満たすために4重根s=−ω、及びω>0である特性方程式を考える。ここでωは目標応答周波数とする。
ここで、ξ1=ξ2=2、とすると、特性方程式(18)が導き出される。
式(16)で示す方程式は、式(19)となる。
そこで、式(16)と式(19)との各項(s0項、s1項、s2項、s3項)の係数比較をすると、式(20)のようにそれぞれ求められる。
I−P制御器51と振動抑制器53の各ゲインは式(4’)より式(1)となる。
次に、本発明によるチューニング後の速度制御系のシミュレーション結果を示す。機械負荷及び電動機の各パラメータは、反共振周波数WLを50[Hz]、共振周波数WHを70[Hz]として、電動機側慣性モーメントJ1を0.5102[Kgm2]、機械負荷慣性モーメントJ2を0.4898[Kgm2]、機械負荷のねじれ剛性値Kを4.8341e+4[Kgm2/s2]にした。ここで目標応答周波数ωを60[Hz]と設定し、時定数Ti、速度ループゲインKv、ねじれ角ゲインKs、ねじれ角速度ゲインKsdを式(18)に基づいてチューニングした。
チューニング後の各ゲインはKv=2171.5[rad/s]、Ksd=−663.5、Ks=−685.2、Ti=10.6[ms]となった。図31、図32はステップ指令入力時の応答を表している。40は速度指令、41は電動機速度である。図31はチューニング後に振動抑制器を動作させなかった場合の応答波形で、図32は振動抑制器を動作させた場合の応答波形である。図3は振動が起きているが、図32はオーバーシュートもなく、2慣性系による振動もない理想的な応答をしている。
この結果より、2慣性系で振動抑制を行い、かつ、I−P制御器のパラメータ(時定数Ti、速度ループゲインKv)と振動抑制器のパラメータ(ねじれ角ゲインKs、ねじれ角速度ゲインKsd)を自動設定できることが確認できた。
このように、本実施形態によれば、目標応答を変えたい場合は、目標応答周波数ωのみ変えれば、自動的に振動抑制を行いながら、速度ループの調整も可能で、従来のように試行錯誤して振動抑制器と速度制御器の調整を行わなくてよくなる。
図33は、本発明の第10の実施形態の電動機制御装置のブロック図である。
図33において、位置制御器56は位置指令と電動機54の位置を入力し、速度指令を速度制御器51に出力する。
速度制御器51は速度指令と電動機54の速度と、振動抑制器53の出力である振動抑制信号Tcを入力し、速度指令と電動機速度が一致するように速度制御を行い、トルク指令τrを電流制御器52へ出力する。電流制御器52はトルク指令τrを入力し、電動機54を駆動する。機械負荷55は電動機54にトルク伝達用の連結軸を介して結合されている。振動抑制器53は電動機54の速度と機械負荷速度の偏差を入力し、振動抑制信号Tcを出力する。なお、機械負荷速度を検出できない場合は、外乱オブザーバ等を用いて推定すればよい。
次に、速度制御器51と振動抑制器53と電動機54と機械負荷55の動作について、図34を用いて詳細に述べる。
速度制御器51内の減算器62は速度指令Vrefから電動機速度Vfbを減算して速度偏差を求め、積分器63は速度偏差を時定数Tiで積分する。乗算器74は速度指令に係数α(0≦α≦1)を乗算する。ここで、α=0の場合はI−P制御になり、α=1の場合はPI制御になる。このようにαを0から1に連続的に切り替えることにより、速度制御系をI−P制御からPI制御に連続的に変えることができる。減算器64は乗算器74の出力値と積分器63の出力値を加算し、電動機速度Vfbを減算し、乗算器65は減算器64の出力に速度ループゲインKvを乗算する。
振動抑制器53内の積分器67はねじれ角速度xaを積分してねじれ角を求め、乗算器68はねじれ角にねじれ角ゲインKsを乗算する。
加算器69は乗算器68の出力とねじれ角速度xaを加算し、乗算器70は加算器69の出力にねじれ角速度ゲインKsdを乗算して振動抑制信号Tcを求める。
また、減算器66は乗算器65の出力から乗算器70の出力を減算する。
乗算器71は減算器66の出力に電動機側の慣性モーメントJ1を乗算し、トルク指令τrを決定する。ここでは、振動抑制器53の入力はねじれ角速度を積分器67で積分して、ねじれ角を求めるが、電動機位置と負荷位置が判る場合は、ねじれ角を入力として振動抑制器を構成してもよい。
図中の17は2慣性系振動モデルでよく知られており、J1は電動機側の慣性モーメント、J2は機械負荷の慣性モーメント、Kは機械負荷のねじれ剛性値、xaは電動機速度と機械負荷速度の偏差から求めるねじれ角速度である。また、1/sは積分を表す。
次に、図34の2慣性系において、速度制御器51の速度ループ積分時定数Ti、速度ループゲインKv、振動抑制器53のねじれ角速度ゲインKsd、ねじれ角ゲインKsのチューニング方法を説明する。ただし、反共振周波数と共振周波数、および、電動機側と機械負荷の慣性モーメントJ1、J2は既知とする。ここで第1実施の形態と同様、速度ループゲインKv、速度ループ積分時定数Ti、振動抑制系のねじれ角ゲインKs、ねじれ角速度ゲインKsdをそれぞれ、
とおく。
速度指令Vrefとねじれ角速度xaが与えられた時の速度制御器+振動抑制器の出力を式(21)とする。
但し、sはラプラス演算子、1/sは積分を表す。
図34の制御対象のブロック図より、式(22)および式(23)となる。
但し、V1は機械負荷速度、
xaはねじれ角速度、
s2は2階微分を表す。
ここで、a、bを式(24)のようにおき、
a、bを使って式(22)と式(23)を式(25)と式(26)のように書きかえる。
式(26)に式(21)を代入すると、式(27)が得られる。
Vfb=xa+VI、から、式(27)は式(28)に変えられる。
式(25)より、式(29)となる。
式(28)に式(29)を代入して展開すると、式(30)となる。
式(30)を移項してまとめると、式(31)となる。
式(31)より、速度指令から電動機速度までの伝達関数の特性方程式を求めると、式(32)となる。
F(s)が4次式であるので、安定条件を満たすために4重根s=−ω、及びω>0である特性方程式を考える。但し、ωは目標応答周波数、ζ1、ζ2は減衰定数である。
ここでζ1=ζ2=ζ、とすると、式(34)という特性方程式が得られる。
よって、式(32)で示す方程式は、式(35)となる。
そこで、式(32)と式(34)との各項(s0項、s1項、s2項、s3項)の係数比較をすると、式(36)のようにそれぞれ求められる。
したがって、速度制御器51と振動抑制器53の各ゲインは式(20’)より、式(37)となる。
ただし、ζは減衰係数(ζ>0)、
ωは速度制御の目標応答周波数、
J1は2慣性系におけるモータ側の慣性モーメント、
J2は機械負荷の慣性モーメント、
Kはねじれ剛性値
次に、位置制御を行う場合を説明する。
位置制御器56は位置指令を入力とし、速度指令を速度制御器51に出力する。
位置制御56内の減算器72は位置指令Prefから電動機位置Pfbを減算して位置偏差を求め、乗算器73は位置偏差に位置ループゲインKpを乗算する。速度制御器51のパラメータは、式(38)
ただし、ζは減衰係数(ζ>0)、
ωは速度制御の目標応答周波数、
J1は2慣性系におけるモータ側の慣性モーメント、
J2は機械負荷の慣性モーメント、
Kはねじれ剛性値
で決定した数値を利用し、
位置制御器56内の位置ループゲインKpは速度制御器11の目標応答周波数ωの関数とし、式(39)とする。
ただし、βは自然数である。
次に、第10の実施形態によるチューニング後の速度制御系、位置制御系のシミュレーション結果を示す。
機械負荷及び電動機の各パラメータは、反共振周波数WLを50[Hz]、共振周波数WHを70[Hz]として、電動機側慣性モーメントJ1を0.5102[Kgm2]、機械負荷慣性モーメントJ2を0.4898[Kgm2]、機械負荷のねじれ剛性値Kを、4.8341e+4[Kgm2/s2]とする。
ここで目標応答周波数ωを60[Hz]と設定し、速度ループ積分時定数Ti、速度ループゲインKv、ねじれ角ゲインKs、ねじれ角速度ゲインKsdを式(36)に基づいてチューニングする。
チューニング後の各ゲインはKv=2171.5[rad/s]、Ksd=−663.5、Ks=−685.2、Ti=10.6[ms]となった。位置制御器16の位置ループゲインKpはω/4とした。
また、ζ=0.5、1、1.5において、図35、図36は速度制御時のステップ応答を表している。図37、図38は位置制御時のステップ応答である。図35、図37は速度制御器をI−P制御(α=0)、図36、図38は速度制御器をPI制御(α=1)としている。2慣性系の振動は全ての場合で抑制されているが、ζで比較すると、図35はζ=1の応答42がζ=0.5、1.5の場合の応答41、43より整定時間が短い。図36はζ=1.5の応答43がζ=0.5、1の場合の応答41、42より整定時間が短い。図37はζ=0.5の応答45がζ=1、1.5の場合の応答46、47より整定時間が短い。図38はζ=0.5の応答45がζ=1、1.5の場合の応答46、47より整定時間が短い。
この結果より、2慣性系で振動抑制を行い、速度制御器のパラメータ(速度ループ積分時定数Ti、速度ループゲインKv)と振動抑制器のパラメータ(ねじれ角ゲインKs、ねじれ角速度ゲインKsd)を自動設定でき、速度制御系、位置制御系でPI制御、I−P制御に適用できた。また、パラメータαに連動させて、ζを変えることにより、整定時間を短縮できる効果がある。
このように、第10の実施形態によれば、目標応答を変えたい場合、目標応答周波数ωを変えれば、自動的に振動抑制を行いながら、速度制御器及び位置制御器の調整も行えるので、試行錯誤して振動抑制器と速度制御器と位置制御器の調整を行わなくてよい。更に、速度制御器の構成をαを用いてI−P制御からPI制御へと変える場合、αの値に連動させて、ζを変えることにより、整定時間を短縮できる。
図39は本発明の第11の実施形態の電動機制御装置のブロック図である。
図39において、位置制御器16は機械負荷位置Pfbと位置指令Prefを入力し、機械負荷位置Pfbと位置指令Prefが一致するように速度指令Vrefを速度制御器51に出力する。
速度制御器51は速度指令Vrefと機械負荷速度Vfbと振動抑制信号Tcを入力し、速度指令Vrefと機械負荷速度Vfbが一致するように速度制御を行うとともに、トルク指令τrを電流制御器52へ出力する。電流制御器52はトルク指令τrを入力し、電流指令を出力して電動機54を駆動する。電動機54は機械負荷55にトルク伝達用の連結軸を介して結合されている。振動抑制器53は電動機54の速度と機械負荷速度Vfbの偏差であるねじれ角速度xaを入力し、振動抑制信号Tcを出力する。
なお、機械負荷速度を検出できない場合は、外乱オブザーバ等を用いて推定すればよい。
次に、速度制御器51と振動抑制器53と電動機54と機械負荷55について、図40を用いて詳細に述べる。
速度制御器51内の減算器62は速度指令Vrefから機械負荷速度Vfbを減算して速度偏差を求め、積分器63は速度偏差を時定数Tiで積分する。係数34は第10の実施形態と同様に、PI制御、I−P制御を任意に振り分けるパラメータで、速度指令Vrefを乗算する。減算器64は乗算値と積分器63の出力値を加算し、機械負荷速度Vfbを減算し、乗算器65は減算器64の出力に速度ループゲインKvを乗算する。
振動抑制器53内の積分器67は電動機速度Vmと機械負荷速度Vfbの差分により求められるねじれ角速度xaを積分してねじれ角を求め、乗算器68はねじれ角にねじれ角ゲインKsを乗算する。加算器69は乗算器68の出力とねじれ角速度xaを加算し、乗算器70は加算器69の出力にねじれ角速度ゲインKsdを乗算して振動抑制信号Tcを求める。また、減算器66は乗算器65の出力から乗算器70の出力を減算する。乗算器71は減算器66の出力に電動機側の慣性モーメントJ1を乗算し、トルク指令τrを決定する。ここでは、ねじれ角速度xaを積分器67で積分してねじれ角を求めるが、電動機位置と負荷位置が判る場合は、ねじれ角を振動抑制器53の入力として振動抑制器を構成してもよい。
図中の57は2慣性系振動モデルで、J1は電動機側の慣性モーメント、J2は機械負荷の慣性モーメント、Kは機械負荷のねじれ剛性値、xaは電動機速度と機械負荷速度の偏差から求められるねじれ角速度である。また、1/sは積分を表す。
なお、以下の計算式では、第10の実施形態はセミクローズ方式、本実施形態はフルクローズ方式の例として、各々フィードバック信号が、第10の実施形態では電動機速度Vfb、電動機位置Pfbを用い、本実施形態でも機械負荷速度Vfb、機械負荷位置Pfb、と同一記号を用いているが、実際の計算式では厳密には数値が異なるが、一般式では最終結果に反映されないので同一記号で説明している。
次に、時定数Ti、速度ループゲインKv、ねじれ角速度ゲインKsd、ねじれ角ゲインKsのチューニング方法を説明する。但し、反共振周波数と共振周波数、および、電動機側と機械負荷の慣性モーメントJ1、J2は既知とする。
ここでI−P制御系の速度ループゲインKv、時定数Ti、振動抑制系のねじれ角ゲインKsおよびねじれ角速度ゲインKsdをそれぞれ式(40)とおく。
速度指令Vrefとねじれ角速度xaが与えられた時の乗算器71の出力を、式(41とする。
ただし、sはラプラス演算子、1/sは積分を表す。
図40の制御対象のブロック図より、式(42)、式(43)となる。
ただし、Vfbは機械負荷速度、
xaはねじれ角速度、
s2は2階微分を表す。
ここで、a、bを式(44)とおく。
a、bを使って式(42)と式(43)を書きかえると、式(45)と式(46)となる。
式(46)に式(41)を代入すると、式(47)が得られる。
式(45)より、式(47)が得られるから、
式(47)に式(48)を代入して展開すると、式(49)となる。
式(49)を移項してVref、Vfbについてまとめると、式(50)となる。
式(50)より、速度指令Vrefから機械負荷速度Vfbまでの伝達関数を求めると、式(51)となり、
更に、この系の特性方程式F(s)は、式(52)となる。
F(s)が4次式であるので、安定条件を満たすために、4重根s=−ω及びω>0である特性方程式(53)を考える。ただし、ωは目標応答周波数、ζ1、ζ2は減衰定数である。
ここでζ1=ζ2=ζ、とすると、特性方程式(54)が得られる。
式(54)と式(52)との各項(s0項、s1項、s2項、s3項)の係数比較をすると、式(55)のようにそれぞれ求められる。
速度制御器51と振動抑制器53の各ゲインは、式(40)より、式(56)となる。
ただし、ζは減衰係数(ζ>0)、
ωは速度制御の目標応答周波数、
J1は2慣性系におけるモータ側の慣性モーメント、
J2は機械負荷の慣性モーメント、
Kはねじれ剛性値
次に位置制御を行う場合を説明する。位置制御器56内の減算器72は位置指令Prefから機械負荷位置Pfbを減算して位置偏差を求め、乗算器73は位置偏差に位置ループゲインKpを乗算し、速度指令として速度制御器51に出力する。
次に、本発明によるチューニング後の速度制御系、位置制御系のシミュレーション結果を示す。機械負荷及び電動機の各パラメータは、反共振周波数WLを50[Hz]、共振周波数WHを70[Hz]として、電動機側慣性モーメントJ1を0.5102[Kgm2]、機械負荷慣性モーメントJ2を0.4898[Kgm2]、機械負荷のねじれ剛性値Kを4.8341e+4[Kgm2/s2]とする。
ここで目標応答周波数ωを60[Hz]と設定し、時定数Ti、速度ループゲインKv、ねじれ角ゲインKs、ねじれ角速度ゲインKsdを(54)式に基づいてチューニングする。位置制御器56の位置ループゲインKp=2πω/8[rad/s]とした。ζ=1のときのチューニング後の各ゲインは、Kv=2171.5[rad/s]、Ksd=−1580、Ks=−434.6、Ti=10.6[ms]となった。
図41、図42はζ=0.5、1、1.5における速度制御時のステップ応答を表している。図43、図44はζ=0.5、1、1.5における位置制御時のステップ応答である。図41、図43は速度制御器をI−P制御(α=0)、図42、図44は速度制御器をPI制御(α=1)としている。2慣性系の振動は全ての場合で抑制されているが、速度制御の場合、I−P制御、PI制御ともにζ=1の応答50が最も整定時間が短い。また、位置制御の場合、I−P制御ではζ=0.5の場合の応答53が最も整定時間が短いのに対し、PI制御では、ζ=1.5の場合の応答55が最も整定時間が短い。この結果より、2慣性系で振動抑制を行い、速度制御器のパラメータ(速度ループ積分時定数Ti、速度ループゲインKv)と振動抑制器のパラメータ(ねじれ角ゲインKs、ねじれ角速度ゲインKsd)を自動設定でき、速度制御系、位置制御系でPI制御、I−P制御に適用できた。また、速度制御器内のパラメータαの値に連動させて、ζを変えることにより、整定時間を短縮できる。
このように本実施形態によれば、目標応答を変えたい場合、目標応答周波数ωを変えれば、振動抑制を行いながら速度制御器及び位置制御器の調整も行えるので、試行錯誤して振動抑制器と速度制御器と位置制御器の調整を行わなくてよい。更に、αを用いて速度制御器の構成をI−P制御からPI制御へと変える場合、αの値に連動させてζを変えることにより、整定時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
図1は第1の従来例の電動機制御装置のブロック図;
図2は第2の従来例の電動機制御装置のブロック図;
図3は第2の従来例の動作指令信号の周波数分析結果を示すグラフ;
図4は第2の従来例の分析結果を示すグラフ;
図5は第2の従来例における折り返し誤差発生の原理図;
図6は従来の電動機制御装置の周波数特性を示すボード線図;
図7は従来の電動機制御装置の周波数特性測定時の電動機位置を示す図;
図8は第3の従来例の電動機制御装置のブロック図;
図9は本発明の第1の実施形態の電動機制御装置のブロック図;
図10は本発明の第2の実施形態の電動機制御装置のブロック図;
図11は本発明の第3の実施形態の電動機制御装置のブロック図;
図12は本発明の第4の実施形態の電動機制御装置のブロック図;
図13は本発明の第5の実施形態の電動機制御装置のブロック図;
図14は本発明の第6の実施形態の電動機制御装置のブロック図;
図15は第6の実施形態の動作指令信号の周波数分析結果を示すグラフ;
図16は第6の実施形態の分析結果を示すグラフ;
図17は本発明の第7の実施形態の電動機制御装置のブロック図;
図18は第7の実施形態の電動機制御装置の周波数特性を示すボード線図;
図19は第7の実施形態の変形例の電動機制御装置の周波数特性を示すゲイン曲線図;
図20は第7の実施形態における動作指令信号の第1の例を示す図;
図21は第7の実施形態における動作指令信号の第2の例を示す図;
図22は第7の実施形態の周波数特性測定時の電動機位置を示す図;
図23は第7の実施形態の変形例における動作指令信号を示す図;
図24は第7の実施形態の変形例における周波数特性測定時の電動機位置を示す図;
図25は第7の実施形態の変形例における動作指令信号の周波数分析結果を示す図である;
図26は本発明の第8の実施形態の電動機制御装置のブロック図;
図27は第8の実施形態の動作を示すフローチャート;
図28は第8の実施形態の周波数特性を示す図である;
図29は本発明の第9の実施形態の電動機制御装置のブロック図;
図30は図29に示す電動機制御装置の2慣性系チューニングのブロック図;
図31は図29に示す電動機制御装置でステップ入力に対して振動抑制器が非動作中の場合の応答波形を示す図;
図32は図29に示す電動機制御装置でステップ入力に対して振動抑制器が動作中の場合の応答波形を示す図;
図33は本発明の第10の実施形態の電動機制御装置のブロック図;
図34は図33に示す電動機制御装置の2慣性系チューニングのブロック図;
図35は図33に示す電動機制御装置の速度制御系(I−P制御)で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図;
図36は図33に示す電動機制御装置の速度制御系(PI制御)で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図;
図37は図33に示す電動機制御装置の位置制御系(I−P制御)で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図;
図38は図33に示す電動機制御装置の位置制御系(PI制御)で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図;
図39は本発明の第11の実施形態の電動機制御装置のブロック図;
図40は図39に示す電動機制御装置の2慣性系チューニングのブロック図;
図41は図39に示す電動機制御装置の速度制御系(I−P制御)で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図;
図42は図39に示す電動機制御装置の速度制御系(PI制御)で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図;
図43は図39に示す電動機制御装置の位置制御系(I−P制御)で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図;
図44は図39に示す電動機制御装置の位置制御系(PI制御)で振動抑制器が動作中の応答波形を示す図である。Technical field
The present invention relates to a motor control method and apparatus for controlling a motor that drives a movable part of a machine having a movable part and a non-movable part that supports the movable part via a transmission mechanism.
Background art
FIG. 1 is a block diagram of a first conventional example of an electric motor control device.
In this first conventional example, the
In the first conventional example, enormous time is required to determine the optimum servo operation command.
FIG. 2 is a block diagram of a second conventional example of the motor control device.
In this conventional example, an
In the second conventional example, as shown in FIG. 3, the
Hereinafter, the problem of the second conventional example will be described in detail.
As shown in FIG. 3, the
Moreover, in order to measure the frequency characteristic of the conventional motor control device, it is necessary to prepare an expensive measuring instrument such as an FFT analyzer.
However, when the electric motor is operated, the movable part moves. The characteristic of the movable part of the load machine changes depending on its position, the resonance frequency and the anti-resonance frequency shift, and the measurement accuracy of the frequency characteristic decreases. Further, in order to increase the amount of data to be measured in order to perform averaging or the like, it is necessary to collect long-term data or to perform a plurality of operations and measurements, as shown in FIG. There was a problem that the amount of movement of the movable part increased and the measurement accuracy further decreased. That is, the electric motor position is greatly deviated from the start position by the measurement, and therefore the movable part moves and the characteristic of the load machine changes, so that the measurement accuracy of the frequency characteristic decreases, for example, the peak is broken as shown in FIG. There was a problem.
FIG. 8 is a block diagram of a third conventional example of the motor control device. This motor control device includes an
In this conventional example, an
Conventionally, there are various methods for tuning machine control having a flexible structure approximate to a two-inertia system. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 10-275003, when controlling a two-inertia system, the vibration of a two-inertia resonance system that can estimate the mechanical load speed and the disturbance torque through a state observer and suppress the occurrence of vibration based on the estimated mechanical load information. It is a suppressor and has obtained good results.
However, in this prior art, the parameter adjustment of the state observer and the parameter adjustment of the PI (proportional-integral) controller are individually performed, and a large amount of time by trial and error may be required for the adjustment. was there.
Disclosure of the invention
The object of the present invention is to provide a special measuring device outside and perform motor control suitable for the control object without the need for survey analysis by an operator with expert knowledge or an analyst with expert knowledge. An object of the present invention is to provide a possible motor control device.
Another object of the present invention is to provide an electric motor control device that calculates a correct frequency characteristic analysis result and performs appropriate electric motor control easily and inexpensively.
Still another object of the present invention is to provide a control method for an electric motor control device that can accurately measure frequency characteristics of a mechanical system.
Still another object of the present invention is to realize vibration suppression of a speed control system and to adjust parameters more easily than in the prior art. Theoretically, parameters of a vibration suppressor and IP control are performed with one parameter. It is an object of the present invention to provide an electric motor control device that can realize simultaneous adjustment of parameters of a motor.
Still another object of the present invention is to deal with both IP control (integral-proportional control) and PI control with respect to a speed control system and a position control system whose mechanical characteristics are two-inertia systems, and a vibration suppressor. Another object of the present invention is to provide an electric motor control device that can realize simultaneous adjustment of parameters of a speed controller and a position controller.
Still another object of the present invention is to provide IP control and PI control for a speed control system for controlling a mechanical load speed and a position control system for controlling a mechanical load position, in which mechanical characteristics are approximated to a two-inertia system. It is an object of the present invention to provide an electric motor control device that can realize simultaneous adjustment of a vibration suppressor, a speed controller, and a control parameter.
Still another object of the present invention is to provide a method for controlling an electric motor control device, which can easily and inexpensively adjust the electric motor control device.
In the first aspect of the present invention, an operation signal equivalent to an operation signal sent from the servo device to the electric motor, a rotation speed signal of the electric motor, a position signal of a movable part of the machine, a sensor signal of acceleration, speed, strain, etc. of the machine One of these is frequency-analyzed and new motor control is performed in consideration of the analysis result.
As a result, it is possible to perform electric motor control suitable for the control object without requiring an operator or an analyst with specialized knowledge.
In the second aspect of the present invention, an operation command signal that does not include unnecessary high-frequency components outside the measurement frequency range is created so that no aliasing error occurs during frequency analysis in the analyzer, and the operation command signal and rotation detection are performed. Frequency analysis of the instrument signal.
Since the operation command signal created by the analyzer is a component below the maximum measurement frequency, it does not excite the mechanical resonance above the maximum measurement frequency, so the rotation detector signal does not contain any component above the maximum measurement frequency, and there is a folding error. Since it does not occur, the anti-resonance point and the resonance point can be correctly observed, and a correct analysis result can be obtained. This makes it possible to evaluate the motor control device, set a new servo operation command, and perform optimal motor control.
In the third aspect of the present invention, the operation command signal output from the arithmetic device to the servo device is executed symmetrically on the forward rotation side and the reverse rotation side of the electric motor.
As a result, the amount of movement of the movable part due to the operation of the electric motor can be offset, the error factor at the time of measuring the frequency characteristic due to the position of the movable part can be removed, and the frequency characteristic can be measured with high accuracy.
In this case, by reducing the amplitude of the low frequency component and increasing the amplitude of the high frequency component of the operation command signal, the amount of movement of the movable part due to the operation of the electric motor can be reduced, and the frequency characteristics can be measured more accurately. it can.
In the fourth aspect of the present invention, the frequency characteristic is calculated by the calculation device from the operation command signal and the rotation detector signal, and the resonance frequency and the anti-resonance frequency are automatically calculated from the shape of the frequency characteristic. Based on the above, the motor controller is automatically adjusted.
By using an inexpensive arithmetic unit and providing simple input information, the appropriate motor control can be adjusted automatically and quickly.
In the fifth aspect of the present invention, the speed command is input, the IP control is configured so that the motor speed matches the speed command, the speed controller for determining the torque command, the torque command is input, and the motor is A vibration suppressor that includes a current controller for driving and a detector that detects a motor current and a motor speed, calculates a torsion angular velocity from the motor speed and a mechanical load speed, and suppresses vibration using the torsion angular velocity. And means for simultaneously adjusting the parameter of the speed controller and the parameter of the vibration suppressor.
With respect to the speed control system, one parameter value of the speed loop gain Kv, the integral time constant 1 / Ti, the torsion angle gain Ks, and the torsion angle speed gain Ksd can be theoretically obtained, so the parameters of the vibration suppressor and the IP controller Can be adjusted simultaneously, and the target response can be raised and lowered while maintaining stability in the two-inertia system, and the speed of the motor can be controlled with high response without exciting the vibration of the mechanical system.
In a sixth aspect of the present invention, a speed controller that inputs a speed command and determines a torque command so that the motor speed matches the speed command, a current controller that inputs the torque command and drives the motor, and an electric motor An electric motor control device having a detector for detecting current, electric motor speed, and mechanical load speed, respectively, includes a parameter α (0 ≦ α ≦ 1) that continuously switches between IP control and PI control, and the motor speed and mechanical load A vibration controller that calculates the torsional angular velocity from the velocity and suppresses vibrations using the torsional angular velocity, and means for simultaneously adjusting the parameters of the speed controller and the vibration suppressor are provided.
Regarding the speed control system and the position control system, both the IP control and the PI control are supported, and the speed loop gain Kv, the integral time constant 1 / Ti, the torsion angle gain Ks, the torsion angle speed gain Ksd, and the position loop gain Kp Since parameter values can be easily obtained, it is possible to adjust the parameters of the vibration controller, speed controller, and position controller at the same time, and when changing the target response, stability is maintained by changing the target response frequency ω. It can be adjusted as it is. Further, the settling time can be shortened by changing the attenuation coefficient ζ in conjunction with the parameter α.
In a seventh aspect of the present invention, a speed controller that inputs a speed command and determines a torque command so that a mechanical load speed matches the speed command, and a current controller that inputs the torque command and drives an electric motor A motor control device having a detector for detecting motor current, motor speed and machine load speed, parameter α (0 ≦ α ≦ 1) for continuously switching between IP control and PI control, motor speed and machine A vibration suppressor that calculates a torsional angular velocity from a load speed and suppresses vibration using the torsional angular velocity, and means for simultaneously adjusting a parameter of the speed controller and a parameter of the vibration suppressor.
Regarding the speed control system for controlling the mechanical load speed and the position control system for controlling the mechanical load position, the speed loop gain Kv, the integral time constant 1 / Ti, and the torsion angle gain Ks corresponding to both the IP control and the PI control. Since the parameter values of the torsional angular velocity gain Ksd and the position loop gain Kp can be easily obtained, the parameters of the vibration suppressor, the speed controller and the position controller can be adjusted at the same time. By changing ω, it can be adjusted while maintaining stability. Further, the settling time can be shortened by changing the attenuation coefficient ζ in conjunction with the parameter α.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 9 is a block diagram showing the motor control device according to the first embodiment of the present invention.
The
Next, the operation of this embodiment will be described.
When a
In the frequency analysis, the
In addition to FFT, the Blackman-Turkey method, autoregressive method, moving average method, autoregressive moving average method, and wavelet transform may be used for frequency analysis. Instead of the
The frequency indicated by the valley and the peak of the frequency response function Hyx is the natural frequency of the machine, and the
FIG. 10 is a block diagram showing an electric motor control apparatus according to the second embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the
Next, the operation of this embodiment will be described.
A
In the frequency analysis, the
In addition to FFT, the Blackman-Turkey method, autoregressive method, moving average method, autoregressive moving average method, and wavelet transform may be used for frequency analysis. Further, instead of the equation (2), an equation mathematically equivalent to the equation (2) such as the equation (3) may be used. The frequency indicated by the valley and the peak of the frequency response function Hyx is the natural frequency of the machine, and the
FIG. 11 is a block diagram of an electric motor control apparatus according to a third embodiment of the present invention.
In this embodiment, the
Next, the operation of this embodiment will be described.
An
The servo device 3 sends an
In the frequency analysis, the
In addition to FFT, the Blackman-Turkey method, autoregressive method, moving average method, autoregressive moving average method, and wavelet transform may be used for frequency analysis.
Instead of the expression (2), an expression mathematically equivalent to the expression (2) such as the expression (3) may be used. The frequency at which the amplitude of the frequency response function Hyx is indicated by a peak is the natural frequency of the machine. The
A new motor control is performed by giving a
FIG. 12 is a block diagram of an electric motor control apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
In this embodiment, an
The
Other operations are the same as those in the first embodiment. The second and third embodiments may include the
FIG. 13 is a block diagram of an electric motor control apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
In this embodiment, in the fourth embodiment, the
In this example, the
The second and third embodiments can have the same configuration as that of the present embodiment.
FIG. 14 is a diagram showing an electric motor control apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
In the present embodiment, an
Next, the operation of this embodiment will be described.
When an operation command is given from the
The
Optimal motor control is performed by newly giving a
In the above example, the
In the above example, FFT is used for frequency analysis, but digital Fourier transform, Blackman-Turkey method, autoregressive method, moving average method, autoregressive moving average method and wavelet transform may be used.
In the above example, the
In the above example, the
In the above example, the
In the above example, the
FIG. 15 is a graph showing the frequency analysis result of the
FIG. 16 is a diagram showing an analysis result in the present embodiment. Since the
FIG. 17 is a diagram showing an electric motor control device according to a seventh embodiment of the present invention.
The
In the motor control device of this embodiment, as shown in FIG. 20, the frequency characteristic is measured by repeating the
FIG. 22 shows an example of the motor position at the time of measuring the frequency characteristics of the present embodiment. In order to measure the frequency characteristics by operating the motor by the
In the present embodiment, the
In the modification of this embodiment, as shown in FIG. 23, the
FIG. 19 shows a gain curve indicating the frequency characteristics of the motor control device according to this modification.
In this example, the
In FIG. 25A, the gain of the frequency analysis result is constant from the lowest frequency Fmin to the highest frequency Fmax of the
The swept sine wave shown in this modification is scaled so that the average value of the amplitude is the same as the original swept sine wave, but may be scaled based on an arbitrary amplitude.
Moreover, in the electric motor control apparatus of this modification, although the movement amount of the
Furthermore, in the present embodiment, a swept sine wave is used for the
FIG. 26 is a diagram showing an electric motor control apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
An
Next, the operation of the motor control device of this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, in
As the
As the
In this embodiment, the frequency response function is obtained by frequency analysis of the
In this embodiment, the
Further, the
In addition, the progress of the steps shown in FIG. 27 may be output once to the
Further, the
FIG. 29 is a block diagram of an electric motor control apparatus according to the ninth embodiment of the present invention.
In FIG. 29, the
Next, the
The
Next, in the two-inertia system of FIG. 30, a method for tuning the time constant Ti of the
However, the anti-resonance frequency and the resonance frequency, and the moments of inertia J1 and J2 of the motor side and the mechanical load are assumed to be known. Here, the speed loop gain Kv, the time constant Ti of the IP control system, the torsional angle gain Ks and the torsional angular speed gain Ksd of the vibration suppression system, respectively,
far.
The output of the IP controller + vibration suppressor when the speed command Vref and the torsional angular speed xa are given is as follows.
Here, s represents a Laplace operator, and 1 / s represents an integral.
From the control target block diagram of FIG. 30, Equations (6) and (7) are obtained.
However, s2 represents a second order differentiation.
Here, a and b are set as the equation (8), respectively.
Therefore, when the equations (6) and (7) are rewritten using a and b, the equations (9) and (10) are obtained.
Substituting equation (5) into equation (10) yields equation (11).
Since Vfb = xa + xb, equation (11) becomes equation (12).
When equation (10) is rewritten, equation (13) is obtained.
When Expression (13) is substituted into Expression (12) and expanded, Expression (14) is obtained.
When the terms are moved and summarized, Expression (15) is obtained.
When the characteristic equation is obtained from Equation (15), Equation (16) is obtained.
Since F (s) is a quartic equation, a characteristic equation with a quadruple root s = −ω and ω> 0 is considered in order to satisfy the stability condition. Here, ω is a target response frequency.
Here, if ξ1 = ξ2 = 2, the characteristic equation (18) is derived.
The equation represented by Equation (16) is Equation (19).
Therefore, when the coefficients of the terms (s0 term, s1, s2, s3, and s3 terms) are compared between the equations (16) and (19), they are obtained as in the equation (20).
The respective gains of the
Next, simulation results of the speed control system after tuning according to the present invention will be shown. The parameters of the mechanical load and the motor are as follows: the antiresonance frequency WL is 50 [Hz], the resonance frequency WH is 70 [Hz], the motor side inertia moment J1 is 0.5102 [Kgm2], and the mechanical load inertia moment J2 is 0. 4898 [Kgm2], and the torsional rigidity value K of the mechanical load was set to 4.8341e + 4 [Kgm2 / s2]. Here, the target response frequency ω was set to 60 [Hz], and the time constant Ti, the speed loop gain Kv, the torsion angle gain Ks, and the torsion angle speed gain Ksd were tuned based on the equation (18).
Each gain after tuning was Kv = 2171.5 [rad / s], Ksd = −663.5, Ks = −685.2, Ti = 10.6 [ms]. 31 and 32 show responses when a step command is input. 40 is a speed command and 41 is a motor speed. FIG. 31 shows a response waveform when the vibration suppressor is not operated after tuning, and FIG. 32 shows a response waveform when the vibration suppressor is operated. Although FIG. 3 shows vibration, FIG. 32 shows an ideal response with no overshoot and no vibration due to the two-inertia system.
From this result, vibration is suppressed by a two-inertia system, and parameters of the IP controller (time constant Ti, speed loop gain Kv) and vibration suppressor parameters (twist angle gain Ks, torsion angular speed gain Ksd) are set. It was confirmed that automatic setting was possible.
As described above, according to this embodiment, when it is desired to change the target response, if only the target response frequency ω is changed, it is possible to adjust the speed loop while automatically suppressing the vibration. Thus, the vibration suppressor and the speed controller need not be adjusted.
FIG. 33 is a block diagram of an electric motor control apparatus according to the tenth embodiment of the present invention.
In FIG. 33, the
The
Next, operations of the
A
The
The
The subtractor 66 subtracts the output of the
The
In the figure, 17 is well known as a two-inertia vibration model, J1 is the moment of inertia on the motor side, J2 is the moment of inertia of the mechanical load, K is the torsional rigidity value of the mechanical load, and xa is the motor speed and the mechanical load speed. Is the torsional angular velocity obtained from the deviation. 1 / s represents an integral.
Next, in the two-inertia system of FIG. 34, a method of tuning the speed loop integration time constant Ti, the speed loop gain Kv of the
far.
Expression (21) represents the output of the speed controller + vibration suppressor when the speed command Vref and the torsional angular speed xa are given.
Here, s represents a Laplace operator, and 1 / s represents an integral.
From the block diagram to be controlled in FIG. 34, Expressions (22) and (23) are obtained.
Where V1 is the machine load speed,
xa is the torsional angular velocity,
s2 represents the second derivative.
Here, a and b are set as shown in Expression (24),
Using a and b, Equation (22) and Equation (23) can be rewritten as Equation (25) and Equation (26).
Substituting equation (21) into equation (26) yields equation (27).
From Vfb = xa + VI, Expression (27) is changed to Expression (28).
From Expression (25), Expression (29) is obtained.
When Expression (29) is substituted into Expression (28) and expanded, Expression (30) is obtained.
When Expression (30) is transferred and summarized, Expression (31) is obtained.
When the characteristic equation of the transfer function from the speed command to the motor speed is obtained from the equation (31), the equation (32) is obtained.
Since F (s) is a quartic equation, a characteristic equation with a quadruple root s = −ω and ω> 0 is considered in order to satisfy the stability condition. However, ω is a target response frequency, and ζ1 and ζ2 are attenuation constants.
Here, if ζ1 = ζ2 = ζ, a characteristic equation of Expression (34) is obtained.
Therefore, the equation represented by Equation (32) is Equation (35).
Therefore, when the coefficients of the terms (s0 term, s1, s2, s3, and s3 terms) are compared with each other in the equations (32) and (34), they are obtained as in the equation (36).
Therefore, the gains of the
Where ζ is a damping coefficient (ζ> 0),
ω is the target response frequency for speed control,
J1 is the moment of inertia on the motor side in the two-inertia system,
J2 is the moment of inertia of the mechanical load,
K is the torsional rigidity value
Next, a case where position control is performed will be described.
The
A
Where ζ is a damping coefficient (ζ> 0),
ω is the target response frequency for speed control,
J1 is the moment of inertia on the motor side in the two-inertia system,
J2 is the moment of inertia of the mechanical load,
K is the torsional rigidity value
Use the value determined in
The position loop gain Kp in the
However, β is a natural number.
Next, simulation results of the speed control system and the position control system after tuning according to the tenth embodiment are shown.
The parameters of the mechanical load and the motor are as follows: the anti-resonance frequency WL is 50 [Hz], the resonance frequency WH is 70 [Hz], the motor-side inertia moment J1 is 0.5102 [Kgm2], and the mechanical load inertia moment J2 is 0.00. 4898 [Kgm2], and the torsional rigidity value K of the mechanical load is set to 4.8341e + 4 [Kgm2 / s2].
Here, the target response frequency ω is set to 60 [Hz], and the speed loop integration time constant Ti, the speed loop gain Kv, the torsion angle gain Ks, and the torsion angle speed gain Ksd are tuned based on Expression (36).
Each gain after tuning was Kv = 2171.5 [rad / s], Ksd = −663.5, Ks = −685.2, Ti = 10.6 [ms]. The position loop gain Kp of the
In addition, when ζ = 0.5, 1, 1.5, FIGS. 35 and 36 show step responses at the time of speed control. 37 and 38 show step responses at the time of position control. 35 and 37, the speed controller is IP control (α = 0), and FIGS. 36 and 38 are PI control (α = 1). Although the vibration of the two-inertia system is suppressed in all cases, when compared with ζ, FIG. 35 shows the settling time from the
As a result, vibration is suppressed by a 2-inertia system, and the speed controller parameters (speed loop integration time constant Ti, speed loop gain Kv) and vibration suppressor parameters (torsion angle gain Ks, torsion angle speed gain Ksd) are automatically set. It can be set and applied to PI control and IP control in the speed control system and position control system. In addition, the settling time can be shortened by changing ζ in conjunction with the parameter α.
As described above, according to the tenth embodiment, when the target response is to be changed, the speed controller and the position controller can be adjusted while automatically suppressing vibrations by changing the target response frequency ω. The vibration suppressor, speed controller, and position controller need not be adjusted through trial and error. Further, when the configuration of the speed controller is changed from IP control to PI control using α, the settling time can be shortened by changing ζ in conjunction with the value of α.
FIG. 39 is a block diagram of an electric motor control apparatus according to an eleventh embodiment of the present invention.
In FIG. 39, the
The
When the mechanical load speed cannot be detected, it may be estimated using a disturbance observer or the like.
Next, the
A
The
In the figure, 57 is a two-inertia vibration model, J1 is the moment of inertia on the motor side, J2 is the moment of inertia of the mechanical load, K is the torsional rigidity value of the mechanical load, and xa is obtained from the deviation between the motor speed and the mechanical load speed. The torsional angular velocity. 1 / s represents an integral.
In the following calculation formula, the tenth embodiment uses a semi-closed system, and the present embodiment uses an example of a full-closed system, and each feedback signal uses a motor speed Vfb and a motor position Pfb in the tenth embodiment. In the present embodiment, the same symbol is used for the mechanical load speed Vfb and the mechanical load position Pfb. However, although the numerical value is strictly different in the actual calculation formula, it is not reflected in the final result in the general formula. ing.
Next, a tuning method of the time constant Ti, the speed loop gain Kv, the torsion angular speed gain Ksd, and the torsion angle gain Ks will be described. However, the anti-resonance frequency and the resonance frequency, and the moments of inertia J1 and J2 of the motor side and the mechanical load are assumed to be known.
Here, the speed loop gain Kv, the time constant Ti of the IP control system, the torsional angle gain Ks and the torsional angular speed gain Ksd of the vibration suppression system are respectively set as equations (40).
The output of the
Here, s represents a Laplace operator, and 1 / s represents an integral.
From the block diagram to be controlled in FIG. 40, Expressions (42) and (43) are obtained.
Where Vfb is the machine load speed,
xa is the torsional angular velocity,
s2 represents the second derivative.
Here, a and b are set as Formula (44).
When formula (42) and formula (43) are rewritten using a and b, formula (45) and formula (46) are obtained.
Substituting equation (41) into equation (46) yields equation (47).
Since Expression (47) is obtained from Expression (45),
When Expression (48) is substituted into Expression (47) and expanded, Expression (49) is obtained.
When Expression (49) is transferred and summarized for Vref and Vfb, Expression (50) is obtained.
When the transfer function from the speed command Vref to the mechanical load speed Vfb is obtained from the equation (50), the equation (51) is obtained.
Furthermore, the characteristic equation F (s) of this system becomes the equation (52).
Since F (s) is a quartic expression, in order to satisfy the stability condition, consider the characteristic equation (53) where the quadruple root s = −ω and ω> 0. However, ω is a target response frequency, and ζ1 and ζ2 are attenuation constants.
If ζ1 = ζ2 = ζ, the characteristic equation (54) is obtained.
When the coefficients of the terms (s0 term, s1 term, s2 term, s3 term) are compared with each other between the formula (54) and the formula (52), they are respectively obtained as the formula (55).
The gains of the
Where ζ is a damping coefficient (ζ> 0),
ω is the target response frequency for speed control,
J1 is the moment of inertia on the motor side in the two-inertia system,
J2 is the moment of inertia of the mechanical load,
K is the torsional rigidity value
Next, a case where position control is performed will be described. A
Next, simulation results of the speed control system and the position control system after tuning according to the present invention are shown. The parameters of the mechanical load and the motor are the anti-resonance frequency WL of 50 [Hz], the resonance frequency WH of 70 [Hz], the motor-side inertia moment J1 of 0.5102 [Kgm2], and the mechanical load inertia moment J2 of 0. 4898 [Kgm2], and the torsional rigidity value K of the mechanical load is set to 4.8341e + 4 [Kgm2 / s2].
Here, the target response frequency ω is set to 60 [Hz], and the time constant Ti, the speed loop gain Kv, the torsion angle gain Ks, and the torsion angle speed gain Ksd are tuned based on the equation (54). The position loop gain Kp of the
41 and 42 show step responses at the time of speed control at ζ = 0.5, 1, 1.5. 43 and 44 show step responses at the time of position control at ζ = 0.5, 1, 1.5. 41 and 43 show the speed controller as an IP control (α = 0), and FIGS. 42 and 44 show the speed controller as a PI control (α = 1). Although the vibration of the two-inertia system is suppressed in all cases, in the case of speed control, the response 50 with ζ = 1 is the shortest settling time for both IP control and PI control. In the case of position control, the
As described above, according to this embodiment, when the target response is to be changed, the speed controller and the position controller can be adjusted while suppressing the vibration by changing the target response frequency ω. It is not necessary to adjust the speed controller and the position controller. Furthermore, when the configuration of the speed controller is changed from the IP control to the PI control using α, the settling time can be shortened by changing ζ in conjunction with the value of α.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a first conventional motor control device;
FIG. 2 is a block diagram of a second conventional motor control device;
FIG. 3 is a graph showing the frequency analysis result of the operation command signal of the second conventional example;
FIG. 4 is a graph showing the analysis result of the second conventional example;
FIG. 5 is a diagram showing the principle of generation of a folding error in the second conventional example;
FIG. 6 is a Bode diagram showing frequency characteristics of a conventional motor control device;
FIG. 7 is a diagram showing a motor position when measuring frequency characteristics of a conventional motor control device;
FIG. 8 is a block diagram of a third conventional motor control device;
FIG. 9 is a block diagram of the motor control device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a block diagram of an electric motor control device according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 11 is a block diagram of an electric motor control device according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 12 is a block diagram of an electric motor control device according to a fourth embodiment of the present invention;
FIG. 13 is a block diagram of an electric motor control device according to a fifth embodiment of the present invention;
FIG. 14 is a block diagram of an electric motor control apparatus according to a sixth embodiment of the present invention;
FIG. 15 is a graph showing the frequency analysis result of the operation command signal of the sixth embodiment;
FIG. 16 is a graph showing the analysis results of the sixth embodiment;
FIG. 17 is a block diagram of an electric motor control device according to a seventh embodiment of the present invention;
FIG. 18 is a Bode diagram showing frequency characteristics of the motor control device of the seventh embodiment;
FIG. 19 is a gain curve diagram showing frequency characteristics of the electric motor control device according to the modification of the seventh embodiment;
FIG. 20 is a diagram showing a first example of an operation command signal in the seventh embodiment;
FIG. 21 is a diagram showing a second example of the operation command signal in the seventh embodiment;
FIG. 22 is a diagram showing a motor position at the time of measuring frequency characteristics according to the seventh embodiment;
FIG. 23 is a diagram showing an operation command signal in a modification of the seventh embodiment;
FIG. 24 is a diagram showing a motor position at the time of frequency characteristic measurement in a modification of the seventh embodiment;
FIG. 25 is a diagram showing the frequency analysis result of the operation command signal in the modified example of the seventh embodiment;
FIG. 26 is a block diagram of an electric motor control device according to an eighth embodiment of the present invention;
FIG. 27 is a flowchart showing the operation of the eighth embodiment;
FIG. 28 is a diagram showing the frequency characteristics of the eighth embodiment;
FIG. 29 is a block diagram of an electric motor control device according to a ninth embodiment of the present invention;
30 is a block diagram of two-inertia tuning of the motor control device shown in FIG. 29;
FIG. 31 is a diagram showing a response waveform when the vibration suppressor is not operating with respect to the step input in the motor control device shown in FIG. 29;
FIG. 32 is a diagram showing a response waveform when the vibration suppressor is operating with respect to the step input in the motor control device shown in FIG. 29;
FIG. 33 is a block diagram of an electric motor control device according to a tenth embodiment of the present invention;
34 is a block diagram of two-inertia system tuning of the motor control device shown in FIG. 33;
FIG. 35 is a diagram showing a response waveform when the vibration suppressor is operating in the speed control system (IP control) of the motor control device shown in FIG. 33;
FIG. 36 is a diagram showing a response waveform when the vibration suppressor is operating in the speed control system (PI control) of the motor control device shown in FIG. 33;
FIG. 37 is a view showing a response waveform when the vibration suppressor is operating in the position control system (IP control) of the motor control device shown in FIG. 33;
FIG. 38 is a diagram showing a response waveform when the vibration suppressor is operating in the position control system (PI control) of the motor control device shown in FIG. 33;
FIG. 39 is a block diagram of an electric motor control device according to an eleventh embodiment of the present invention;
40 is a block diagram of two-inertia system tuning of the motor control device shown in FIG. 39;
41 is a diagram showing a response waveform when the vibration suppressor is operating in the speed control system (IP control) of the motor control device shown in FIG. 39;
42 is a diagram showing a response waveform when the vibration suppressor is operating in the speed control system (PI control) of the motor control device shown in FIG. 39;
43 is a diagram showing a response waveform when the vibration suppressor is operating in the position control system (IP control) of the motor control device shown in FIG. 39;
FIG. 44 is a diagram showing a response waveform when the vibration suppressor is operating in the position control system (PI control) of the motor control device shown in FIG.
Claims (17)
前記電動機の回転数を検出する回転検出器と、
動作指令信号が与えられると、該動作指令信号に対応する動作信号を前記電動機に送り、前記電動機を制御するサーボ装置と、
周波数分析時に折り返し誤差が発生せず、測定周波数範囲外の不要な高周波成分を含まない前記動作指令信号を作成する指令発生手段と、
前記動作指令信号を前記サーボ装置に出力し、前記動作指令信号と前記回転検出器からの回転検出器信号を周波数分析し、分析結果を出力する分析装置を有する電動機制御装置。A motor control device for controlling a motor that drives a movable part of a machine having a movable part and a non-movable part that supports the movable part via a transmission mechanism,
A rotation detector for detecting the rotation speed of the electric motor;
When an operation command signal is given, a servo device that sends an operation signal corresponding to the operation command signal to the electric motor and controls the electric motor;
A command generating means for generating the operation command signal that does not generate an aliasing error during frequency analysis and does not include an unnecessary high-frequency component outside the measurement frequency range;
An electric motor control device having an analysis device that outputs the operation command signal to the servo device, frequency-analyzes the operation command signal and a rotation detector signal from the rotation detector, and outputs an analysis result.
前記電動機の回転数を検出する回転検出器と、
動作指令信号が与えられると、該動作指令信号に対応する動作信号を前記電動機に送り、前記電動機を制御するサーボ装置と、
前記電動機の正転側と逆転側の動作指令信号を作成する指令発生手段と、
前記動作指令信号を前記サーボ装置に出力し、前記動作指令信号と前記回転検出器からの回転検出信号を周波数分析し、正転側と逆転側の動作による分析結果を平均化処理する分析装置を有する電動機制御装置。A motor control device for controlling a motor that drives a movable part of a machine having a movable part and a non-movable part that supports the movable part via a transmission mechanism,
A rotation detector for detecting the rotation speed of the electric motor;
When an operation command signal is given, a servo device that sends an operation signal corresponding to the operation command signal to the electric motor and controls the electric motor;
Command generating means for creating operation command signals on the forward and reverse sides of the electric motor;
An analyzer that outputs the operation command signal to the servo device, frequency-analyzes the operation command signal and the rotation detection signal from the rotation detector, and averages the analysis results of the forward rotation and reverse rotation operations. Electric motor control device having.
前記電動機の回転数を検出する回転検出器と、
動作指令信号が与えられると、該動作指令信号に対応する動作信号を前記電動機に送り、前記電動機を制御するサーボ装置と、
低周波数成分の振幅が小さく、高周波数成分の振幅が大きい前記動作指令信号を作成する指令発生手段と、
前記動作指令信号を前記サーボ装置に出力し、前記動作指令信号と前記回転検出器の回転検出信号を周波数分析する分析装置を有する電動機制御装置。A motor control device for controlling a motor that drives a movable part of a machine having a movable part and a non-movable part that supports the movable part via a transmission mechanism,
A rotation detector for detecting the rotation speed of the electric motor;
When an operation command signal is given, a servo device that sends an operation signal corresponding to the operation command signal to the electric motor and controls the electric motor;
Command generating means for generating the operation command signal having a low amplitude of the low frequency component and a large amplitude of the high frequency component;
An electric motor control device having an analysis device for outputting the operation command signal to the servo device and analyzing the frequency of the operation command signal and the rotation detection signal of the rotation detector.
速度制御におけるセミクローズの場合に積分−比例制御と比例−積分制御を連続的に切り替えるパラメータα(0≦α≦1)を備え、
電動機速度と機械負荷速度からねじれ角速度を算出し、ねじれ角速度を用いて振動を抑制する振動抑制器と、
前記速度制御器のパラメータと前記振動抑制器のパラメータを、積分−比例制御と比例−積分制御の切り替えが有ってもαが連続的に切り替えることで、同時に調整する調整手段とを有することを特徴とする電動機制御装置。A speed controller that inputs a speed command and determines a torque command so that the motor speed matches the speed command, a current controller that inputs the torque command and drives the motor, a motor current, a motor speed, and a machine In an electric motor control device comprising a detector for detecting a load speed,
A parameter α (0 ≦ α ≦ 1) for continuously switching between integral-proportional control and proportional-integral control in the case of semi-closed speed control,
A vibration suppressor that calculates the torsional angular velocity from the motor speed and the machine load speed, and suppresses vibration using the torsional angular velocity;
Adjusting the parameter of the speed controller and the parameter of the vibration suppressor at the same time by continuously switching α even if there is switching between integral-proportional control and proportional-integral control. An electric motor control device.
ただし、ζは減衰係数(ζ>0)、
ωは速度制御の目標応答周波数、
J1は2慣性系における電動機側の慣性モーメント、
J2は機械負荷の慣性モーメント、
Kはねじれ剛性値
により調整する、請求項12に記載の電動機制御装置。The vibration suppressor includes means for calculating the torsion angle by integrating the torsion angular velocity, means for multiplying the torsion angle by a torsion angle gain Ks, and a value obtained by multiplying the torsion angle and the torsion angle gain Ks by the torsion angle speed. And a means for determining the vibration suppression signal by multiplying by the torsional angular velocity gain Ksd and a means for adding the vibration suppression signal to the torque command, and simultaneously adjusting the parameter of the speed controller and the parameter of the vibration suppressor The adjustment means uses a speed loop gain Kv, a speed loop integration time constant Ti, a twist angle gain Ks, and a twist angular speed gain Ksd in the speed controller as follows:
Where ζ is a damping coefficient (ζ> 0),
ω is the target response frequency for speed control,
J1 is the moment of inertia on the motor side in the two-inertia system,
J2 is the moment of inertia of the mechanical load,
The motor control device according to claim 12, wherein K is adjusted by a torsional rigidity value.
ただし、βは実数(β>0)
のように前記速度制御器の目標応答周波数ωの関数とする、請求項12から15のいずれか1項に記載の電動機制御装置。A position controller is further provided that inputs a position command and outputs a speed command to the speed controller so that the motor position matches the position command. A position loop gain Kp in the position controller is
Where β is a real number (β> 0)
The motor control device according to claim 12, wherein the motor control device is a function of a target response frequency ω of the speed controller.
速度制御におけるフルクローズの場合に積分−比例制御と比例−積分制御を連続的に切り替えるパラメータα(0≦α≦1)を備え、
電動機速度と機械負荷速度からねじれ角速度を算出し、前記ねじれ角速度を用いて振動を抑制する振動抑制器と、
前記速度制御器のパラメータと前記振動抑制器のパラメータを、積分−比例制御と比例−積分制御の切り替えがあってもαの値を連続的に切り替えることで、同時に調整する調整手段とを備えることを特徴とする電動機制御装置。A speed controller that inputs a speed command and determines a torque command so that a machine load speed matches the speed command, a current controller that inputs the torque command and drives the motor, a motor current, a motor speed, and a machine In an electric motor control device comprising a detector for detecting a load speed,
A parameter α (0 ≦ α ≦ 1) for continuously switching between integral-proportional control and proportional-integral control in the case of full-closed in speed control;
A vibration suppressor that calculates a torsional angular velocity from an electric motor speed and a machine load speed, and suppresses vibration using the torsional angular velocity;
Adjustment means for simultaneously adjusting the parameter of the speed controller and the parameter of the vibration suppressor by continuously switching the value of α even when switching between integral-proportional control and proportional-integral control is performed. An electric motor control device.
ただし、ζは減衰係数(ζ>0)、
ωは速度制御の目標応答周波数、
J1は2慣性系における電動機側の慣性モーメント、
J2は機械負荷の慣性モーメント、
Kはねじれ剛性値
として調整する、請求項17または18に記載の電動機制御装置。The vibration suppressor includes means for calculating the torsion angle by integrating the torsion angular velocity, means for multiplying the torsion angle and the torsion angle gain Ks, and a product of the torsion angle and the torsion angle gain Ks. Means for determining a vibration suppression signal by multiplying a value obtained by adding the angular velocity to a torsional angular velocity gain Ksd, and means for adding the vibration suppression signal to the torque command. The parameters of the speed controller and the vibration suppressor The adjusting means for simultaneously adjusting the parameters includes a speed loop gain Kv, a speed loop integration time constant Ti, the torsion angle gain Ks, and the torsion angle speed gain Ksd in the speed controller as follows:
Where ζ is a damping coefficient (ζ> 0),
ω is the target response frequency for speed control,
J1 is the moment of inertia on the motor side in the two-inertia system,
J2 is the moment of inertia of the mechanical load,
The motor control device according to claim 17 or 18, wherein K is adjusted as a torsional rigidity value.
ただし、βは実数(β>0)
のように前記速度制御器の目標応答周波数ωの関数とする、請求項17から20のいずれか1項に記載の電動機制御装置。A position controller is further provided that inputs a position command and outputs a speed command to the speed controller so that a mechanical load position matches the position command. A position loop gain Kp in the position controller is expressed by the following equation:
Where β is a real number (β> 0)
The motor control device according to any one of claims 17 to 20, wherein the motor control device is a function of a target response frequency ω of the speed controller.
動作指令信号を作成し、前記サーボ装置に出力し、前記動作指令信号と前記回転検出器の検出信号から周波数特性を演算するステップと、
前記周波数特性から共振周波数と反共振周波数を求めるステップと、
前記共振周波数と反共振周波数から制御パラメータを決定し、前記電動機制御装置を調整するステップを有する、電動機制御装置の制御方法。A control method for an electric motor control device according to any one of claims 1 to 6, 12 to 21,
Creating an operation command signal, outputting the operation command signal to the servo device, and calculating a frequency characteristic from the operation command signal and a detection signal of the rotation detector;
Obtaining a resonance frequency and an anti-resonance frequency from the frequency characteristics;
A control method for an electric motor control device, comprising a step of determining a control parameter from the resonance frequency and the anti-resonance frequency and adjusting the electric motor control device.
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